3-D Laser-Scanning-Mikroskop: EPFL Laser-Mikroskopie: KEYENCE verbessert 3D-Bilderkennung am EPFL

Das neue VK-X260 3-D Laser-Scanning-Mikroskop von KEYENCE kommt in einem Labor der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) zum Einsatz und ermöglicht Forschern genauere und schnellere Oberflächenanalysen.

-Spuren von Materialermüdung

Mikroskopische Oberflächenanalysen sind unverzichtbar für Forschung und Industrie. Sie werden zum Beispiel eingesetzt in der Tribologieforschung (etwa beim Studium der Reibung zwischen zwei sich berührenden Materialien) und bei der Erforschung von Korrosionserscheinungen wie Materialermüdung und -abnutzung. Solche Studien treiben Innovationen voran, von denen die Industrie lebt.

Für Dr. Stefano Mischler, Leiter der Tribologie- und Grenzflächenchemie-Gruppe an der EPFL, liegt der Fokus auf Forschungsprojekten und der Validierung von protoindustriellen Entwicklungen. Außerdem geht es um die Diagnose von gebrauchten oder korrodierten mechanischen Elementen, um Konstruktions- und Alterungsprobleme aufzudecken, die auf Basis der gewonnen Erkenntnisse gelöst  werden können - dies ist jedoch nur eine Aufgabe unter vielen.

Mikroskopie, die Oberflächen „profiliert“
Nehmen wir ein einfaches Beispiel: Die Rauheit einer Oberfläche beeinflusst ihre Erscheinung, was sowohl visuell als auch haptisch erfahren werden kann. Doch sie bestimmt auch die Art und Weise, wie sich ein Material abnutzt – etwa durch Reibung oder Korrosion –, wie es sich verformt oder mit einem anderen Material verbindet, ja sogar, wie es Wasser aufnimmt, lackiert werden kann etc. Das Oberflächenprofil eines Werkstoffs hat also großen Einfluss auf dessen Haltbarkeit, die Nachhaltigkeit seiner physischen und mechanischen Eigenschaften sowie die potentiellen Schwachstellen eines Produkts, das aus diesem Material hergestellt wird – daher muss es sehr genau untersucht werden.

Die EPFL arbeitet seit Langem regelmäßig mit der Industrie zusammen. Zu den typischen Projekten gehören zum Beispiel die topografische Charakterisierung von gebrauchten oder korrodierten Bauteilen oder die Analyse von Vertiefungen und Senken in metallischen Oberflächen, die von Meerwasser angegriffen wurden.

Die Tradition reicht zurück bis in den 70er Jahre des 20. Jahrhunderts, wie Dr. Mischler betont: „Die Labore an der EPFL haben in diesem Bereich sehr viel Erfahrung gesammelt. Das sieht man auch daran, dass bei projektierten Messungen die zu erreichende Genauigkeit zwischen 0,1 nm und 10 μm liegt. Zu diesem Zweck sind die Labore ausgerüstet mit Abtastern mit Diamantspitze (für Untersuchungen mit Oberflächenkontakt) sowie Nichtkontakt-Profilern, die im Submikronbereich messen.

„Auf der einen Seite liefert ein Rasterelektronenmikroskop keine vertikalen Informationen (Höhe bzw. Tiefe der Gipfel und Täler), auf der anderen Seite haben wir das Rasterkraftmikroskop (AFM), das zwar sehr feine Genauigkeiten bietet, aber für einige Anwendungen zu langsam ist“, erklärt Dr. Mischler. „Der Wechsel zu einem Laser-Scanning-Mikroskop ist wie eine natürliche Evolution.“

Technische Spezifikationen und Leistungsdaten
Bei den neuesten Projekten studiert Dr. Mischlers Team die Mikrogeometrien auf der Oberfläche von Werkstoffen – einschließlich aller Höhen und Tiefen. Die Entscheidung für die konfokale Mikroskopie ist da nur logisch.

Eine der Grenzen der klassischen Mikroskopie, die im Zusammenhang mit den genannten Anwendungen eine Rolle spielt, ist der Umstand, dass das Bild nur scharf sein kann in der Brennebene des optischen Systems. Je weiter man sich auf einer rauen Oberfläche von dieser Ebene, das heißt der durchschnittlichen Höhe entfernt, desto unschärfer wird das Bild.

Bei der konfokalen Mikroskopie wird die Oberfläche untersucht durch eine Abfolge sich überlagernder Brennebenen. Mit dieser Technik kann die gesamte Oberflächenbeschaffenheit inklusive aller Täler und Gipfel aufgezeichnet werden.

Wie Dr. Mischler erklärt, wurden verschiedene Lösungen in Betracht gezogen, einige davon deutlich spezialisierter als andere. Neben der Qualität des Instruments waren auch die einfache Benutzung sowie die Aufbereitung der Daten entscheidend dafür, dass man sich für das konfokale 3-D Laser-Scanning-Mikroskop von KEYENCE entschied. Einige Features in Kürze: Vertikale Ebenen = 14 Millionen; Vergrößerung = 28.800x; Displayauflösung = 0,5 nm; Beleuchtung des Samples in der Analyse = Weißlichtlaser mit 408 nm.

Nutzerfreundlichkeit und Flexibilität
„Wir wollen in der Lage sein, quantitative und qualitative Messungen aller Täler und Gipfel auf den untersuchten Oberflächen zu kombinieren“, erläutert Dr. Mischler und ergänzt: „Die topografische Darstellung mit 3-D-Bildern macht es möglich, die benötigten Daten sehr einfach und schnell zu bekommen und für weitere Studien und Analysen zu nutzen. Während für andere Lösungen zwei separate Softwareprogramme nötig sind – eines um die Messungen durchzuführen und das andere für die Auswertung der Daten –, liegt ein großer Vorteil der KEYENCE Lösung darin, dass sie beide Werkzeuge in einem Softwarepaket zusammenführt“, betont Dr. Mischler.

Dank seiner besonderen Kombination aus Genauigkeit, Anwenderfreundlichkeit und Messgeschwindigkeit überzeugt das VK Mikroskop als sehr leistungsfähiges System. Trotzdem kann bei Bedarf die Analyse nach Export der Daten in noch feineren Analysetools weitergeführt werden.

„Die KEYENCE Software ist wirklich nutzerfreundlich“, erzählt Dr. Mischler. „Nach einer kurzen Einführung machten sich die Studenten schnell mit dem System vertraut und konnten nach wenigen Tagen bereits die Fähigkeiten des Werkzeugs so einsetzen, dass relevante Ergebnisse erzielt wurden. Offenbar hat man bei der Auslegung des Systems von KEYENCE sehr auf eine intensive Nutzung geachtet. Es bedient perfekt das Bedürfnis des Produktionsingenieurs nach Unmittelbarkeit, ohne die Erwartungen des Forschungsingenieurs hinsichtlich Qualität und Genauigkeit zu enttäuschen.“

Ansprechbarkeit und Support
An der EPFL fließen „Universitätszeit“ und „Industriezeit“ ineinander und vermischen sich, anders geht es gar nicht. Praktisch heißt das, das einige Projekte finanziert werden im Rahmen der topografischen Oberflächenbestimmung und sowie weitere Innovationsprojekte für die Industrie (Uhrenherstellung... Biomedizin... Werkstoffe... Luft- und Raumfahrt etc.).

Wie der zuständige Verkaufsingenieur von KEYENCE erklärt, „ist das 3-D Laser-Scanning-Mikroskop ein System, das ursprünglich für die Produktivität von Industriestandorten entworfen wurde. Obwohl die Anfragen von Dr. Mischler und seinen Studenten manchmal sehr komplex sind, versuchen wir so schnell wie möglich zu reagieren, wie wir es auch für unsere Industriekunden tun.“ Außerdem sagt er: „Genauso achtet die EPFL darauf, seinen Partnern den besten Service für einzelne Projekte zu bieten, auch wenn sie als Industriefirmen naturgemäß eingeschränkt sind.“

Die École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ist eine von zwei eidgenössischen polytechnischen Hochschulen der Schweiz. 1969 zur nationalen Hochschule ernannt, hat sich die Ingenieurschmiede auf verschiedenen Ebenen weiterentwickelt und gehört heute zu den berühmtesten Wissenschafts- und Technikinstitutionen in Europa. Ebenso wie ihre Schwester in Zürich, die ETHZ, steht sie für die drei zentralen Aufgaben Bildungs-, Forschungs- und Technologietransfer. In Verbindung mit mehreren spezialisierten Forschungsinstituten bilden die beiden polytechnischen Hochschulen den ETH-Bereich, der direkt dem Eidgenössischen Department für Wirtschaft, Bildung und Forschung untersteht (DEFR).

Die EPFL befindet sich im schweizerischen Lausanne am Ufer des Genfer See und zu Füßen der Alpen. Auf dem Hauptcampus leben fast 14.000 Menschen, 10.000 davon Studierende. Mit ihrer Dynamik und der lebendigen Gemeinschaft der Studenten hat es die EPFL geschafft, einen besonderen Geist der Neugier und der Einfachheit zu erschaffen. Der tägliche Austausch zwischen Studenten, Forschern und Unternehmern auf dem Campus fördert die Entwicklung neuer wissenschaftlicher, technologischer und architektonischer Projekte.

-Bild einer Vertiefung durch Korrosion in Zirkonium

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